為了保護全球環(huán)境和抑制全球變暖，尤其是在汽車和機械工業(yè)領域的節(jié)能技術發(fā)展多年來已取得了進步。據(jù)報道，用于泵、壓縮機、鼓風機等工業(yè)電動機的電能消耗估計約占日本總消耗的40%；因此，提高工業(yè)電動機的能效至關重要。滾動軸承廣泛用于電動機軸旋轉支承，并采用脂潤滑。潤滑脂有助于延長軸承使用壽命；然而，存在一種沖突，即由于軸承運轉產(chǎn)生的潤滑脂阻力造成的能量損失(或轉矩)導致電動機的效率下降。Nitta等指出，滾動軸承能量損失的原因大致可分為潤滑劑的攪拌阻力、黏滯滾動阻力、球與溝道之間的摩擦阻力、球與保持架之間的摩擦阻力。Cousseau等采用滾動軸承摩擦力矩模型研究了潤滑脂對推力球軸承的影響。為了降低能量損失，選擇低黏度的基礎油有助于減小黏滯滾動阻力。此外，軸承溝道周圍的潤滑脂在很大程度上影響潤滑脂的攪拌阻力，因此，軸承中潤滑脂的流動性對電動機的效率起著至關重要的作用。

潤滑脂的流動性可用成溝和攪拌狀態(tài)來說明。在攪拌狀態(tài)下，潤滑脂被運動的零件(如球)剪切，并由于拖曳損失造成軸承轉矩高。這種連續(xù)的潤滑脂剪切使軸承溫度升高。潤滑脂剪切導致潤滑脂軟化，造成潤滑脂從軸承中泄漏。相比之下，在成溝狀態(tài)下，大部分潤滑脂被推離運行溝道。由于清除了潤滑脂，由潤滑脂剪切產(chǎn)生的拖曳損失減少。因此，軸承轉矩達到穩(wěn)定的低值。在軸承運轉的初始階段，潤滑脂以攪拌狀態(tài)潤滑，但可快速轉變到成溝狀態(tài)，這就有望開發(fā)節(jié)能潤滑脂。

為了解潤滑脂的流動性，需對軸承中的潤滑脂進行可視化，然而，對軸承內部進行無損觀察的方法有限。Noda等研究了軸承中的潤滑脂分布,并通過X射線計算機斷層掃描(CT)成像捕捉了攪拌與成溝狀態(tài)之間的瞬態(tài)現(xiàn)象。然而，觀察需要一些特殊材料，如氟樹脂、氟樹脂碳纖維復合材料以及用于軸承保持架、套圈和球的玻璃，因為Fe等重元素吸收X射線的能力很強。因此，可以說難以采用X射線觀察鋼制軸承中由輕元素組成的潤滑脂。Haruyama等采用帶有熒光顆粒的潤滑脂可視化了軸承中的潤滑脂分布。在這種情況下，可見光需要透過軸承，因此，必須采用由透明材料制成的外圈，對潤滑脂進行激光照射，并觀察潤滑脂的熒光。

相比之下，中子成像不需要這種特殊材料進行無損觀察。與X射線相比，中子與輕元素(如H和C)之間的相互作用較強，而與重元素(如Fe)之間的相互作用較弱。因此，中子能通過鋼制軸承并識別軸承中的潤滑脂。此外，中子能量低，輻照對潤滑脂的影響可忽略不計。中子的這些特性適合于無損觀察常規(guī)軸承中的潤滑脂行為，并有助于了解潤滑脂的流動性。本研究的目的是采用中子成像技術可視化軸承中的潤滑脂分布。通過對具有不同軸承轉矩特性(其決定節(jié)能性能)的潤滑脂進行比較,探討了潤滑脂流動性的影響。

1 試驗方法

1.1 潤滑脂樣品

本研究中采用了2種鋰基潤滑脂A和B，分別選用復合鋰和單鋰皂作為增稠劑。復合鋰由12-羥基硬脂酸鋰和壬二酸鋰組成,單鋰皂由硬脂酸鋰組成。這2種潤滑脂通常采用黏度等級為VG32的API Ⅰ類基礎油,其是由石蠟、環(huán)烷和芳烴組成的礦物油。每種潤滑脂的成分和部分性能見表1。

表1 樣品潤滑脂

1.2 軸承轉矩

為了評估潤滑脂的節(jié)能性能,在原軸承摩擦力矩試驗機上進行了軸承試驗。每次測量均采用新的6204軸承。在將試驗潤滑脂用于軸承之前,用無鉛汽油清洗軸承,以去除填充的潤滑脂。軸承填充2g的試驗潤滑脂,約相當于軸承空間體積的35%。軸承的空間體積定義為可填充潤滑脂的***大體積。

填充試驗潤滑脂的軸承內圈安裝著在試驗機主軸上。在對軸承施加徑向和軸向載荷后,將一根連接到測力傳感器的線連接到軸承座上,以檢測軸承轉矩。軸承組件被放置在一個箱體內,通過空氣對流來控制溫度。在箱內溫度穩(wěn)定在25℃后,主軸以分步增加的間隔速度旋轉(200,500,1000和2000 r/min)。200,500和1000 r/min的測量時間為5min,2 000 r/min的測量時間為30min。

1.3 中子成像

在中子成像前,填充每種潤滑脂樣品的軸承以2 000 r/min運轉不同時間,見表2。在日本質子加速器研究中心(J-PARC)材料與生命科學試驗設施(MLF)中,采用RADEN對軸承中分布的潤滑脂進行了中子射線照相和CT測量。RADEN是一種利用強脈沖中子束進行能量分辨和常規(guī)中子成像的儀器。將填充潤滑脂的軸承樣品固定在旋轉臺上并進行中子束輻照。穿透樣品的中子通過厚度為0.10 mm的LiF/ZnS閃爍屏轉換為可見光,然后由像素為2 048×2 048的水冷CCD相機拍攝。在射線照相觀察中,沿軸承軸向輻照中子,視場為80 mm×80 mm,相機曝光時間約為30 s,得到的透射圖像空間分辨率約為60 μm。對于CT觀察,將樣品從0°旋轉至360°,每隔0.6°旋轉獲得600張透射圖像,采用濾波反投影法重建三維切片圖像。

表2 用于中子成像的軸承的準備

2 結果和討論

2.1 軸承轉矩

通過軸承轉矩試驗確定了潤滑脂的節(jié)能性能。填充潤滑脂A與B的軸承在不同轉速下的轉矩對比如圖1所示。與含鋰皂增稠劑的脂B相比,含復合鋰基增稠劑的脂A在所有轉速下均顯示出更低的軸承轉矩。該結果可能表明在這些試驗條件下脂A以成溝狀態(tài)潤滑,脂B以攪拌狀態(tài)潤滑。為了明確該假設,進行了下節(jié)所述的中子成像。

2.2 中子成像

填充2種潤滑脂的軸承運轉后的中子射線照相圖像如圖2所示。由普通相機拍攝的無潤滑脂軸承的照片也顯示在圖2左側。對這些圖像進行處理,使灰度值隨著中子透射率的降低而變亮,以便于理解與后述CT結果的對應關系。因此,淺色表示存在中子透射率低的潤滑脂，深色表示存在中子透射率高的金屬零件。在標記為0 min的圖中觀察到：在軸承運轉前，2種潤滑脂***初定位在保持架表面。軸承運轉0～60 min，潤滑脂分布發(fā)生了變化。關注運轉60 min后的潤滑脂分布,觀察到潤滑脂的不同流動性取決于增稠劑類型。在脂B的外圈邊緣觀察到潤滑脂(如圖2中的灰色圓圈所示),相比之下,脂A的大部分停留在保持架表面。軸承運轉60 min后填充脂B(而不是脂A)的軸承發(fā)生防塵蓋漏油,這與成像結果對應。

軸承軸向和徑向的中子CT圖像如圖3所示。在運轉60 min后觀察填充2種潤滑脂的軸承,以詳細研究潤滑脂的流動性。軸承中間平面的軸向視圖如圖3左側所示。與射線照相的結果相似,脂A主要在保持架表面觀察到,在保持架表面的脂B少于脂A。如射線照相圖像所示,潤滑脂和/或從脂B泄漏的基礎油在外圈邊緣發(fā)現(xiàn),而不是在保持架表面。粘附在球上的脂B也被觀察到。圖3中部和右側分別為徑向圖像和放大圖像。粘附在球上的脂A可忽略不計,在球與內、外圈之間存在空洞,對應于成溝狀態(tài)。還發(fā)現(xiàn)大部分脂A殘留在保持架表面,如圖2所示。相反,粘附在球上的脂B在徑向圖像上很明顯,這與攪拌狀態(tài)有關。潤滑脂和/或從脂B泄漏的基礎油在軸承防塵蓋內被觀察到,這表明從防塵蓋漏油。試驗結束時填充脂B的軸承的轉矩增大,如圖1所示?？梢赃@樣說,粘附在球上的潤滑脂可能會增大球與保持架之間的黏滯阻力,因為分出的油或具有低增稠劑含量的脂B填滿了接觸區(qū)附近區(qū)域。

2.3 潤滑機理

圖4根據(jù)本研究的結果，從成溝和攪拌狀態(tài)的角度說明了脂A和B的潤滑機理。由復合鋰增稠的脂A以成溝狀態(tài)潤滑顯示出較低的軸承轉矩。當球隨著軸承運轉穿過脂A時，大多數(shù)潤滑脂停留在保持架表面，幾乎不粘附在球上，如中子CT圖像所示。少量潤滑脂被拖曳入接觸區(qū)。因此，球旋轉平滑，潤滑脂的攪拌阻力較低，降低了軸承轉矩。相比之下，由單鋰皂增稠的脂B以攪拌狀態(tài)潤滑，增大軸承轉矩。中子CT圖像顯示出脂B在軸承運轉時粘附在球上，導致球滾動的拖曳力更高。粘附在球上的潤滑脂可能會增大球與保持架之間的黏滯阻力。粘在球上的潤滑脂可通過連續(xù)剪切軟化,這導致油和/或潤滑脂從軸承防塵蓋泄漏。分出的油或具有低增稠劑含量的潤滑脂更容易粘在球上。中子成像技術對闡明軸承中潤滑脂行為與潤滑脂配方之間的關系具有重要意義，有助于進一步開發(fā)節(jié)能且長壽命的潤滑脂。

圖4 2種潤滑脂的潤滑圖像

3 結束語

中子成像技術實現(xiàn)了球軸承中潤滑脂的流動性和分布的可視化。圖像捕捉到了重要的潤滑脂行為，如成溝和攪拌狀態(tài)，這對節(jié)能性能有很大的影響。復合鋰增稠的潤滑脂在軸承內以成溝狀態(tài)潤滑，粘附在球上的潤滑脂***少，通過球平滑旋轉顯示較低的軸承轉矩。單鋰皂潤滑脂在軸承內以攪拌狀態(tài)潤滑，粘附在球上的潤滑脂明顯，通過增加攪拌和黏滯阻力顯示更高的軸承轉矩。中子成像技術為無損地揭示機械零件中潤滑脂的行為提供了可能，這將有助于開發(fā)性能優(yōu)異的潤滑脂。